用于在車胎內產生電能的方法和系統技術方案

一種用于在輪胎內生成電能的方法，該方法包括：　　　?。瓕▔弘娫耐鈿づc對應于輪胎胎面區的輪胎部分相連，該壓電元件基本上沿垂直于所述輪胎徑向的平面排列，并具有實質上固定到所述外殼的第一端和固定到負載質量塊的第二端，在所述外殼的至少一個內壁和所述負載質量塊的外表面之間形成間隙；　　　　－以低于給定速度的第一轉速在滾動面上旋轉所述輪胎，以便使所述負載質量塊在所述間隙內振蕩，從而在所述輪胎旋轉期間，導致所述壓電元件的第一變形；　　　?。愿哂谒鼋o定速度的第二轉速在所述滾動面上旋轉所述輪胎，以便在一個完整輪胎轉的第一小部分期間，使所述負載質量塊與所述內壁接觸，在所述第一小部分期間，對應于所述輪胎部分的所述胎面區不與所述滾動面接觸，以及在一個完整輪胎轉的第二小部分期間，使所述負載質量塊在所述間隙內振蕩，在所述第二小部分期間，對應于所述輪胎部分的所述胎面區與所述滾動面接觸，從而在所述輪胎旋轉期間，導致所述壓電元件的第二變形；　　　?。占伤鰤弘娫乃龅谝缓偷诙冃萎a生的電能。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及用于在車胎內產生電能的方法和系統。更具體地說，通過使用將由于滾動期間的輪胎彎曲的機械應變轉換成存儲在蓄能設備中的電荷的壓電技術，來產生電能，從而使得可用于位于輪胎內的電子設備。本專利技術還涉及用于監控輪胎的操作參數的系統。
技術介紹
將電子設備包含在氣胎中正被認為越來越重要，以便增加車輛的安全性。輪胎電子設備可以包括傳感器和適合于獲得有關輪胎的各種物理參數，諸如溫度、壓力、輪胎轉數、車速的信息的其它部件。這些信息可能在輪胎監視和/或告警系統中有用。此外，車輛的主動控制系統可以基于從包括在輪胎內的傳感器設備發送的信息。典型地，采用無線傳輸以便將輪胎外的輪胎性能信息發送到位于車輛上的接收機，使得位于輪胎內的這些電子設備典型地包括與天線連接的發射機。通常還采用微處理器，以便在發射前收集和處理來自性能傳感器的信號。通常通過各種技術和不同的發電系統向這些集成輪胎電子設備供電。用于供電輪胎電子系統的典型解決方案是使用不可充電電池，由于正確的電子系統設備操作依賴于定期電池替換，可能導致輪胎用戶的不便。事實上，當向以復雜的功能性級為特征的電子應用供電時，電池易于相當快速地耗盡它們的蓄能。此外，傳統的電池通常包含環境不符并存在處理問題，特別是當大量采用時的重金屬。此外，傳統電池的性能通常受溫度影響，特別地，這些電池的功能在低溫時不可靠。用于供電輪胎監控系統的另一已知方法是在位于極接近的車輛上的天線和包括在位于輪胎中的電子設備內的天線之間耦合射頻(RF)功率。這通常要求時常暴露位于車輛部分中的天線而受道路危害，從而可能不是用于供電輪胎電子應用的理想解決方案。也建議使用壓電元件來供電輪胎監控系統。壓電效應是當機械加壓時產生電的某些材料，諸如石英、羅謝爾鹽以及某些固溶體陶瓷材料，諸如鋯鈦酸鉛(PZT)的屬性。例如，PCT專利申請WO01/80327A1公開了用于在車胎中產生電能的系統，包括至少沿輪胎的一部分在縱向延伸的至少一個細長壓電元件。該細長壓電元件最好包括沿輪胎圓周的直線或波狀路徑延伸的同軸電纜。PCT專利申請WO03/095244A1公開了用于由具有壓電結構和蓄能設備的旋轉輪胎的機械能產生電功率的系統。該結構包括在環氧樹脂基體中以通常不定向方式嵌入的多個壓電光纖。該結構安裝在用于在壓電結構中均勻地分布機械應變的支撐襯底上。該結構安裝在用于當車輪沿地面移動時產生電荷的輪胎內。US專利第4,510,484公開了用于檢測在輪胎輪圈上安裝并經受正常振動的氣胎的條件的設備。該設備包括外殼、用于將外殼安裝到輪胎輪圈上的帶條、用于監控輪胎內的條件的傳感器、可操作地連接到傳感器用于產生表示輪胎條件的無線電信號的電路、可操作地連接到該電路的電源以及用于接收無線電信號的接收機。電源包括具有基座部分和終端部分的徑向延伸的壓電簧片?；糠謴椥缘嘏c外殼結合。將調諧質量構件安裝到終端部分并構造成與限制壓電簧片的彎曲沖程和禁止簧片的復合彎曲的止動構件鄰接配合。相對于壓電簧片調整調諧質量構件的大小以便獲得對應于在車輛操作期間產生的普通車輪振動的約60Hz的電源振動的固有諧振頻率。在操作中，離心力用來推動調諧質量構件遠離旋轉車輪的輻射中心。這些力易于使由壓電簧片元件限定的平面與輻射中心線對準。在靜止平衡狀態下簧片元件未與輻射中心線對準的情況下，離心力使簧片元件彎向這種對準以及可以將調諧質量構件推動成與相鄰止動構件持續嚙合。這種持續嚙合將用來降低簧片元件的振動，并相應降低電源向無線電電路供電的能力。當沿輻射中心線適當地對準簧片元件時，電源在操作期間可以享有最大振動沖程，具有向無線電電路供電的最佳能力。US專利第6,438,193公開一種輪胎的自供電旋轉計數器，包括機電能量變換器和旋轉計數電路。一個壓電晶體元件既充當能量變換器，還充當旋轉傳感器。以每次相對于道路或其它車輛支撐面壓縮包含該壓電元件的輪胎的圓周部分時，使它與輪胎一起彎曲的方式，將該壓電元件連接到或嵌入輪胎的內壁內、胎面或側壁下。當彎曲壓電元件時，產生正脈沖。當再次伸直時，壓電元件以比正脈沖顯著低的峰值電平產生阻尼振蕩正/負信號。由壓電元件的物理特性(質量、柔性)確定阻尼振蕩。典型的測量振蕩頻率為約100Hz。根據作者，這些振蕩有利于能量轉換。在“193專利”中公開的壓電元件的優選實施例是具有接合在一起的兩個圓形板和中心的壓電晶體板的圓形單壓電晶片(unimorph)。根據作者，在該結構中，應力分布比通過在典型的懸臂裝配中實現的雙壓電晶片更均勻。作者還公開了通過在測試的懸臂裝配的雙壓電晶片壓電元件中的大的偏轉而獲得34V的開路電壓。然而，申請人注意到在“193”專利中沒有公開與測試懸臂裝配的雙壓電元件的結構和輪胎內的裝配有關的細節。申請人面對通過機電能量變換，采用壓電效應來產生將提供給包括在輪胎內、適合于監控至少一個輪胎參數(例如壓力、溫度、輪胎轉數、行駛距離、轉速、加速度)的電子設備的足夠功率的問題。根據申請人，適合于獲得該結果的壓電元件的結構應當是安裝在與胎面區一致的輪胎部分中的懸臂裝配的彎曲型。然而，對于壓電元件的另一要求是耐久性。換句話說，安裝在對應于胎面區的輪胎部分中、包括懸臂裝配的彎曲型壓電元件的結構還應當保證防止可能由在輪胎的滾動期間，特別是以高速滾動期間，壓電元件所經受的巨大離心力引起的早期裂縫和/或斷開。申請人已經發現，通過以懸臂裝配的形式，在對應于其胎面區的輪胎部分中(例如附著到輪胎的內表面，基本上與其赤道平面對應)，使壓電元件位于與輪胎相連的外殼內，能獲得足夠的功率以及長的耐久性。壓電元件承載質量塊以及在外殼的內壁和負載質量塊的外表面之間存在小的間隙。外殼與輪胎相連以便沿基本上垂直于輪胎的徑向的平面放置壓電元件。確定壓電元件、負載質量塊和小間隙的大小以便允許a)當輪胎以低速旋轉時，壓電元件基本上在輪胎的完整轉期間振蕩；b)當輪胎以高速旋轉時，壓電元件基本上僅在包括壓電元件的輪胎部分與道路接觸時振蕩。在情況b)中，在包括壓電元件的輪胎部分不與道路接觸的小部分輪胎轉中，通過由輪胎的旋轉產生的離心力，固定到壓電元件的負載質量塊被推動靠向外殼的內壁，使得壓電元件實際上不經受變形變化。換句話說，當輪胎以低速旋轉時，在輪胎的完整轉期間，通過壓電元件的振蕩而產生高質量電能。壓電元件的小間隙和剛性不允許壓電元件的大偏轉，使得降低由于基本上連續振蕩的裂紋和/或斷開的發生。當輪胎以高速旋轉時，除壓電元件通過相應接觸片期間外，通過在幾乎完整輪胎轉中與外殼的內壁相接觸，抵消了壓電元件所經受的高徑向加速度。這也降低了壓電材料中裂紋和/或斷開的發生。然而，由于在壓電元件通過對應接觸片期間，壓電元件的基本上自由振蕩，仍然產生能量，此時徑向加速度基本上為零。
技術實現思路
在第一方面中，本專利技術涉及一種用于在輪胎內生成電能的方法，該方法包括-將包括壓電元件的外殼與對應于輪胎胎面區的輪胎部分相連，該壓電元件基本上沿垂直于所述輪胎徑向的平面排列，并具有基本上固定到所述外殼的第一端和固定到負載質量塊的第二端，在所述外殼的至少一個內壁和所述負載質量塊的外表面之間形成間隙；-以低于給定速度的第一轉速在滾動面上旋轉所述輪胎，以便使所述負載質量塊在所述間隙內振蕩，從而在所述輪胎旋轉期間，導致所述壓本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種用于在輪胎內生成電能的方法，該方法包括-將包括壓電元件的外殼與對應于輪胎胎面區的輪胎部分相連，該壓電元件基本上沿垂直于所述輪胎徑向的平面排列，并具有實質上固定到所述外殼的第一端和固定到負載質量塊的第二端，在所述外殼的至少一個內壁和所述負載質量塊的外表面之間形成間隙；-以低于給定速度的第一轉速在滾動面上旋轉所述輪胎，以便使所述負載質量塊在所述間隙內振蕩，從而在所述輪胎旋轉期間，導致所述壓電元件的第一變形；-以高于所述給定速度的第二轉速在所述滾動面上旋轉所述輪胎，以便在一個完整輪胎轉的第一小部分期間，使所述負載質量塊與所述內壁接觸，在所述第一小部分期間，對應于所述輪胎部分的所述胎面區不與所述滾動面接觸，以及在一個完整輪胎轉的第二小部分期間，使所述負載質量塊在所述間隙內振蕩，在所述第二小部分期間，對應于所述輪胎部分的所述胎面區與所述滾動面接觸，從而在所述輪胎旋轉期間，導致所述壓電元件的第二變形；-收集由所述壓電元件的所述第一和第二變形產生的電能。2.如權利要求1所述的方法，其中，所述輪胎部分是輪胎的內表面的一部分。3.如權利要求1或2所述的方法，其中，所述壓電元件具有基本上根據所述輪胎的軸向排列的較長側面。4.如在前權利要求的任何一個所述的方法，其中，在以所述第二轉速旋轉期間，所述負載質量塊在基本上沿垂直于輪胎徑向的所述平面排列的第一平衡位置附近振蕩。5.如權利要求4所述的方法，其中，在以所述第一轉速旋轉期間，所述負載質量塊在不同于所述第一平衡位置的所述間隙內的第二平衡位置附近振蕩。6.如在前權利要求的任何一個所述的方法，其中，所述給定速度包括在30km/h和70km/h之間。7.如權利要求6所述的方法，其中，所述給定速度包括在40km/h和60km/h之間。8.一種用于產生電能的系統，包括-輪胎；-包括壓電元件的電源，與對應于輪胎胎面區的輪胎部分相連；其中，-所述壓電元件排列在外殼內以便具有實質上固定到所述外殼的第一端和與負載質量塊相連的第二端，在所述外殼的至少一個內壁和所述負載質量塊的外表面之間形成間隙；-基本上沿垂直于所述輪胎徑向的平面放置所述壓電元件；-確定所述壓電元件、所述負載質量塊和所述間隙的尺寸以便獲得a)在以低于給定速度的第一轉速在滾動面上旋轉該輪胎期間，與所述壓電元件相關的所述負載質量塊在所述間隙內振蕩；b)在以高于所述給定速度的第二轉速在滾動面上旋轉該輪胎期間，在一個完整輪胎轉的第一小部分期間，所述負載...

【專利技術屬性】
技術研發人員：費德里克·曼柯蘇，巴巴拉·拉姆帕納，菲比歐·馬里阿尼，安德烈·卡拉特隆尼，
申請(專利權)人：倍耐力輪胎公司，
類型：發明
國別省市：